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Die
Erfindung betrifft sowohl Codefolgen als auch Funkstationen, insbesondere
Mobilstationen oder Basisstationen, die zur Verwendung von Codefolgen
entsprechend eingerichtet sind.
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Die
rasante technische Entwicklung auf dem Gebiet der Mobilfunkkommunikation
führte
in den letzten Jahren zur Entwicklung und Standardisierung der so
genannten dritten Generation von Mobilfunksystemen, insbesondere
dem UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), mit denen
unter anderem das Ziel verfolgt wird, den Nutzern von Mobilstationen,
wie beispielsweise Mobiltelefonen, erhöhte Datenraten zur Verfügung zu
stellen.
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Gerade
in den letzten Monaten bildet ein so genannter Enhanced-Up-Link
einen Schwerpunkt dieser Entwicklungs- und Standardisierungsaktivitäten. Mit
diesem Enhanced-Up-Link sollen für
die Verbindung von einer Mobilstation zu einer Basisstation erhöhte Datenraten
zur Verfügung
gestellt werden. Zum Aufbau bzw. zur Aufrechterhaltung eines solchen
Enhanced-Up-Links
sind die Signalisierungskanäle
E-HICH (Enhanced Up Link Dedicated Channel Hybrid ARQ Indicator
Channel) und E-RGCH (Enhanced Up Link Dedicated Channel Relative
Grant Channel) in der Richtung von der Basisstation an die Mobilstation
vorgesehen.
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Mit
dem E-HICH wird ein "Acknowledge" oder ein "Not-Acknowlegde" an die Mobilstation
signalisiert, je nachdem, ob ein Paket von der Basisstation korrekt
empfangen wurde oder nicht.
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Mit
dem E-RGCH wird an die Mobilstation signalisiert, ob sie mit höherer, gleicher
oder niedrigerer Datenrate senden darf.
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Die
Daten, insbesondere Datenbits, die über diese genannten Signalisierungskanäle, insbesondere über denselben
Funkkanal, an verschiedene Mobilstationen gesendet werden, werden
zur Teilnehmerseparierung mit einer Codefolge, auch Signatursequenz
genannt, gespreizt.
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Da
beispielsweise innerhalb des gleichen Funkkanals verschiedene Daten
an verschiedene Mobilstationen gesendet werden, ist es erforderlich,
den verschiedenen Daten entsprechend verschiedene Codefolgen aufzuprägen, um
den Mobilstationen so zu ermöglichen,
die über
diesen Funkkanal empfangenen Daten voneinander zu trennen und in
einer Mobilstation nur die an diese Mobilstation gerichteten Daten
weiterzuverarbeiten.
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Während der
Enhanced-Up-Link-Kanal eine Datenübertragung von der Mobilstation
zur Basisstation betrifft, beschreiben die genannten Signalisierungskanäle, E-HICH
und E-RGCH, die Richtung von der Basisstation zu verschiedenen Mobilstationen.
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Es
ist nun das Ziel weltweiter Entwicklungsbemühungen, einen Satz von Codefolgen
oder Signatursequenzen anzugeben, die eine effiziente Realisierung
dieser genannten Signalisierungskanäle ermöglichen.
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Der
Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, eine technische Lehre
anzugeben, die eine effiziente Realisierung der genannten Signalisierungskanäle ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Zweckmäßige und
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale
der abhängigen
Ansprüche
definiert.
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Die
Erfindung beruht dabei zunächst
auf dem Gedanken, Codefolgen zu verwenden, die zueinander orthogonal
sind. Dies hat den Vorteil, dass ein Empfänger (beispielsweise ein Mobilstation),
der mit seiner Codefolge auf eine Empfangssignalfolge korreliert,
die nicht für
ihn bestimmt ist, im Idealfall kein Korrelationssignal erhält. Daher
erweist sich in einem ersten Schritt die Verwendung von Codefolgen
als vorteilhaft, welche die Zeilen einer Hadamardmatrix bilden,
da die Zeilen einer Hadamardmatrix zueinander orthogonal sind.
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Hadamardmatrizen
sind insbesondere definiert als Matrizen mit Elementen der Größe 1, deren
Zeilen zueinander orthogonal sind, und deren Spalten zueinander
orthogonal sind. Im Rahmen der Anmeldung soll aber der Begriff "Hadamardmatrix" allgemeiner alle
Matrizen mit Elementen der Größe 1 beschreiben,
deren Zeilen zueinander orthogonal sind.
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Allerdings
ergaben der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen, dass die
Verwendung der Zeilen einer Hadamardmatrix als Codefolge zur Aufprägung auf
Daten, insbesondere Datenbits, im genannten Anwendungsfall nicht
zu den gewünschten
Ergebnissen führt.
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Aufwändige Untersuchungen
und Überlegungen
führten
zu der Erkenntnis, dass Frequenzfehler, insbesondere die Differenz
der Sendefrequenz und der Empfangsfrequenz aufgrund einer Dopplerverschiebung, die
Orthogonalität
der Codefolgen in der praktischen Anwendung verringert oder verschlechtert.
Diese Verringerung oder Verschlechterung der Orthogonalität von Codefolgen
aufgrund eines Frequenzfehlers stellte sich gerade dann als besonders
stark heraus, wenn als Codefolgen die Zeilen bekannter Hadamardmatrizen
verwendet werden.
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Ein
wesentlicher Aspekt der Erfindung ist daher die Erkenntnis, für die Realisierung
der oben genannten Signalisierungskanäle Codefolgen zu verwenden,
deren Orthogonalität
zueinander auch beim Vorliegen eines Frequenzfehlers möglichst
nicht beeinträchtigt
wird. Gegenstand der Erfindung ist daher auch ein Satz von Codefolgen,
insbesondere der Länge
40, für
den gilt, dass die Codefolgen zueinander orthogonal sind und dass
das Maximum von
minimal ist, wobei das Maximum
für alle
möglichen
Paare s und e, wobei s ungleich e ist, gebildet wird, C(s,i) das
Element der Codematrix in Zeile s und Spalte i ist, und die Summe über alle
Spalten der Codematrix ausgeführt
wird.
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Im
Rahmen der Erfindung liegt auch eine Codefolge, die durch die Zeile
einer Codematrix beschrieben wird, wobei die Codematrix durch folgende
Schritte erhältlich
ist:
- – Bilden
einer Hadamardmatrix der Länge
n;
- – Vertauschen
von Spalten der Hadamardmatrix.
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Aufwändige Simulationen
mit eigens für
diesen Zweck erstellten Simulationswerkzeugen ergaben, dass Codefolgen,
die durch die Zeilen einer derart gebildeten Codematrix beschrieben
werden, auch bei einem Frequenzfehler ihre Orthogonalität zueinander
möglichst
gut bewahren, und so den Mobilstationen eine gute Separierbarkeit
von Signalen, die auf einer Spreizung mit derartigen Codefolgen
basieren, ermöglichen.
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Eine
weitere Verbesserung ergibt sich bei der Verwendung von Codefolgen,
die einer Codematrix entnommen werden, welche durch folgende Schritte
erhältlich
ist:
- – Nummerierung
der n Spalten der Hadamardmatrix von 0 bis n-1;
- – Gruppierung
der Spalten in Spalten mit gerader Nummer ( 0, 2, 4, ... n-2) und
in Spalten mit ungerader Nummer (1, 3, 5, .., n-1);
- – Vertauschen
der Spalten der Hadamardmatrix derart, dass die Gruppe der Spalten
mit gerader Nummer die ersten n/2 Spalten der Codematrix bilden,
und dass die Gruppe der Spalten mit ungerader Nummer die letzten
n/2 Spalten der Codematrix bilden.
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Im
Rahmen der Erfindung liegen selbstverständlich auch Funkstationen,
insbesondere Basisstationen und Mobilstationen, die geeignet eingerichtet
sind, erfindungsgemäße Codefolgen,
insbesondere zur Übertragung
der oben genannten Signalisierungskanäle zu verwenden. Dabei können die über diese
Signalisierungskanäle
zu übertragenden
Datenbits sendeseitig zur besseren Separierbarkeit mit den erfindungsgemäßen Codefolgen
multipliziert (gespreizt) werden. Empfangsseitig kann der Empfänger zur
besseren Separierung der empfangenen Signale eine erfindungsgemäße Codefolge
mit den empfangenen Signalen korrelieren, d.h. Korrelationssummen
bilden und diese entsprechend weiterverarbeiten.
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Im
Folgenden werden Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen:
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1 eine
vereinfachte Darstellung einer Up-Link- bzw. Down-Link-Verbindung;
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2 eine
Code-Matrix;
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3 ein
Simulationsergebnis.
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1 zeigt
zwei (Enhanced Uplink-) Datenkanäle
EU0 und EU1 von zwei Mobilstationen MSO und MS1 zu einer Basisstation
BS eines UMTS-Systems.
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Zum
Aufbau bzw. zur Aufrechterhaltung eines solchen Enhanced-Up-Links sind die
Signalisierungskanäle
E-HICHO und E-HICH1 (Enhanced Up Link Dedicated Channel Hybrid ARQ
Indicator Channel) und E-RGCH0 und E-RGCH1 (Enhanced Up Link Dedicated
Channel Relative Grant Channel) in der Richtung von der Basisstation
BS zu den Mobilstationen MSO,MS1 vorgesehen.
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Um
die von der Basisstation BS an die Mobilstationen MSO,MS1 innerhalb
eines Funkkanals (gleiche Zeit- und Frequenzressource) realisierten
Signalisierungskanäle
empfangsseitig für
die verschiedenen Mobilstationen MSO,MS1 separierbar zu machen,
werden den über
diese Signalisierungskanäle
zu übertragenden Datenbits
sendeseitig (basisstationsseitig) verschiedene Codefolgen aufgeprägt.
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Die
Funkstationen (Mobilstationen, Basisstationen) sind hardwaretechnisch
oder softwaretechnisch so eingerichtet, dass zur Übertragung
von Daten erfindungsgemäße Codefolgen
verwendet werden, insbesondere zu sendende Daten mit einer erfindungsgemäßen Codefolge
multipliziert werden (gespreizt wer den) oder empfangene Signale
mit einer erfindungsgemäßen Codefolge
korreliert werden.
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Beispielsweise
weist eine Basisstation eine Sendeeinrichtung zum Senden von Daten
an verschiedene Teilnehmer auf und eine Prozessoreinrichtung, die
derart eingerichtet ist, dass Daten, die an verschiedene Teilnehmer
gerichtet sind, verschiedene Codefolgen aufgeprägt werden, wobei die Codefolgen
einer Codematrix entnommen werden, die durch folgende Schritte erhältlich ist:
- - Bilden einer Hadamardmatrix der Länge n;
- - Vertauschen von Spalten der Hadamardmatrix.
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Gemäß einer
Ausführungsvariante
werden die Codefolgen einer Codematrix entnommen, die durch folgende
Schritte erhältlich
ist:
- – Nummerierung
der n Spalten der Hadamardmatrix von 0 bis n-1;
- – Gruppierung
der Spalten in Spalten mit gerader Nummer ( 0, 2, 4, ... n-2) und
in Spalten mit ungerader Nummer (1, 3, 5, .., n-1);
- – Vertauschen
der Spalten der Hadamardmatrix derart, dass die Gruppe der Spalten
mit gerader Nummer die ersten n/2 Spalten der Codematrix bilden,
und dass die Gruppe der Spalten mit ungerader Nummer die letzten
n/2 Spalten der Codematrix bilden.
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Beispielsweise
weist eine Mobilstation eine Empfangseinrichtung zum Empfang einer
Empfangssignalfolge auf und eine Prozessoreinrichtung, die derart
eingerichtet ist, dass die Empfangssignalfolge entsprechend mit
einer der oben genannten Codefolgen korreliert wird.
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Der
besseren Separierbarkeit wegen sollen diese Codefolgen zueinander
orthogonal sein. Das bedeutet, dass ein Empfänger (beispielsweise eine Mobilstation),
der auf eine Zeile (Codefolge) korreliert, kein Signal erhält, wenn
eine andere Zeile (Codefolge) gesendet wurde:
Das empfangene
Signal E ist dann, wenn der Sender die Sequenz (Codefolge) s sendet
und der Empfänger auf
die Sequenz (Codefolge) e korreliert:
dabei stellt C(s,i) das i-te
Element der sendeseitig verwendeten Codefolge dar und C(e,i) das
i-te Element der empfangsseitig verwendeten Codefolge.
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Somit
interferieren Aussendungen für
andere Benutzer basierend auf der Codefolge s nicht mit den Aussendungen
für einen
vorgegebenen Nutzer, der Daten auf der Basis der Codefolge e erwartet.
Diese perfekte Orthogonalität
geht aber verloren, wenn die Signale einen Frequenzfehler aufweisen.
Dann gilt:
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Dabei
bezeichnet f den Wert des Frequenzfehlers, t(i)=Ti ist die Zeit,
zu der das i-te Bit übertragen
wird, T die Dauer eines Bits. Wie in der Signalverarbeitung üblich wird
komplex gerechnet. Hierbei wird davon ausgegangen, dass das i-te
Symbol zur Zeit T mal i gesendet wird. Dies ist streng genommen
nur dann der Fall, wenn die Bit seriell hintereinander über tragen
werden. Es ist auch möglich
beispielsweise zwei Bit parallel zur gleichen Zeit zu übertragen,
beispielsweise durch Anwendung eines so genannten I-Q Multiplex-Verfahrens, d.h.
in einem komplexen Sendesignal wird das eine Bit als Realteil und
das andere als Imaginärteil übertragen. In
diesem Fall werden jeweils zwei Bit zur gleichen Zeit übertragen,
so dass t(i)= (int(i/2)·2
+ 0,5)·T
ist. int() bezeichnet hier den ganzzahligen Anteil. Der Unterschied
zwischen diesen beiden Fällen
beträgt
aber nur 0,5T und ist im Allgemeinen zu vernachlässigen, so dass auf diese Feinheit
im Folgenden nicht weiter eingegangen wird.
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Somit
beeinflussen sich Aussendungen gegenseitig, d.h. wenn Daten an eine
Mobilstation auf der Basis der Codefolge s gesendet werden, so stört dies
den Empfang an der Mobilstation, die Daten auf der Basis der Codefolge
e erwartet.
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Diese
Störung
wird durch die vorliegende Erfindung gering gehalten.
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Es
wäre optimal,
wenn man Sätze
(Codematrizen) von orthogonalen Sequenzen (Codefolgen) finden könnte, welche
auch bei Vorliegen eines Frequenzfehlers gute Eigenschaften haben.
Insbesondere sollte im schlimmsten Fall die oben genannte Beeinflussung
für das
schlechteste Paar von Sequenzen möglichst gering sein. Ziel der
Erfindung ist es daher auch, ein Verfahren zum Generieren solcher
Sequenzen und die Anwendung dieser Sequenzen für Zwecke der Übertragung
anzugeben.
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Quadratische
Matrizen mit n orthogonalen Zeilen werden auch Hadamardmatrizen
genannt. Das folgende Bildungsgesetz zur Konstruktion einer Hadamardmatrix
der Länge
2n aus einer Matrix der Länge
n ist allgemein bekannt und wird vielfach angewendet:
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Ausgehend
von der Hadamardmatrix H2 der Länge
2 lassen sich damit Matrizen deren Länge eine Zweierpotenz ist erzeugen:
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Des
Weiteren sind Hadamardmatrizen der Länge 20 bekannt, aus denen sich
mit dieser Regel Matrizen der Länge
40, 80, 160 ... generieren lassen.
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Es
zeigt sich nun aber, dass mit dieser Regel erzeugte Matrizen der
Länge 2n
eine besonders schlechte Eigenschaft beim Vorliegen von Frequenzfehlern
haben, d.h. der Verlust der Orthogonalität besonders groß ist. Die
Beeinflussung der Zeilen k und n+k (wobei k<n) ist hierbei besonders groß. Das liegt
daran, dass zwei solche Zeilen in den ersten n Elementen identisch
sind, wohingegen sie in den letzten n Elementen entgegen gesetzte
Vorzeichen aufweisen. Der Korrelationsbeitrag der ersten Hälfte wird
somit erst in der zweiten Hälfte korrigiert.
Da der Frequenzfehler aber mit der Zeit zunimmt, ist diese Korrektur
durch den somit schon relativ starken Einfluss des Frequenzfehlers
schon vergleichsweise stark verfälscht.
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Es
zeigt sich, dass sich bei einer bestimmten Vertauschung von Spalten
einer Hadamardmatrix die Orthogonalitätseigenschaften (ohne Frequenzfehler)
nicht ändern,
die Spaltenvertauschung aber durchaus Einfluss auf die Orthogonalitätseigenschaften
bei Frequenzfehler hat. Es sind daher zur Opti mierung der Orthogonalitätseigenschaften
bei Frequenzfehlern geeignete Spaltenvertauschungen realisierbar.
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Eine
Spaltenvertauschung, die sich in Simulationen als besonders vorteilhaft
herausgestellt hat ist die folgende:
Der Algorithmus wird hier
für die
Konvention beschrieben, dass die Spalten beginnend mit 0 (nicht
mit 1) gezählt
werden, lässt
sich aber selbstverständlich
auch für
andere Nummerierungskonventionen anpassen.
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Aus
der Matrix C2n wählt
man die geraden Spalten aus (Spalten 0, 2, 4, ... 2n-2) und setzt
sie auf die Spalten 0 bis n-1. Die ungeraden Spalten (Spalten 1,
3, 5, ... 2n-1) setzt man auf die Spalten n bis 2n-1. Die Reihenfolge
innerhalb der geraden bzw. ungeraden Spalten wird beibehalten. Man
verwendet also die folgende Permutation: 0, 2, 4, 6, ... 2n-4, 2n-4,
1, 3, 5, 7, ... 2n-3, 2n-1.
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Die
gerade dargestellte Spaltenvertauschung ist äquivalent zu folgendem alternativen
Konstruktionsprinzip (im Übrigen
führt dieses
Konstruktionsprinzip auch noch zu einer äquivalenten Zeilenvertauschung. Zeilenvertauschungen
sind aber irrelevant für
das zu lösende
Problem.)
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Eine
Hadamardmatrix der Dimension 2n wird dadurch generiert, dass man
alle Elemente der Hadamardmatrix der Dimension 2n durch die elementare
2er Hadamardmatrix ersetzt, multipliziert mit dem Wert des Elementes.
d. h. man ersetzt in der Matrix
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Dadurch
erhält
man eine Matrix mit der doppelten Dimension.
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Als
besonders vorteilhaft erwies sich folgende Konstruktionsweise für eine Codematrix: – Generierung einer
Hadamardmatrix C20 der Länge
20 als eine sog. Williamson-Matrix, sie kann generiert werden als:
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Wobei
A bzw. C jeweils 5 mal 5 Matrizen sind mit Zeilen die aus den zyklische
Vertauschungen der Folgen [–1
1 1 1 1] bzw. [1 –1
1 1 –1]
bestehen und D = 2I – C
wobei I die 5 mal 5 Einheitsmatrix darstellt, damit enthält D die
zyklischen Vertauschungen der Folge [1 –1 –1 1].
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Die
Williamson Matrix ist somit die folgende Matrix, wobei die einzelnen
5er Blöcke
hervorgehoben sind:
- – Generierung
einer Hadamardmatrix der Länge
40 aus dieser Matrix der Länge
20;
- – Nummerierung
der 40 Spalten der Hadamardmatrix von 0 bis 39;
- – Gruppierung
der Spalten in Spalten mit gerader Nummer (0, 2, 4, ... 38) und
in Spalten mit ungerader Nummer (1, 3, 5, ..., 39);
- – Vertauschen
der Spalten der Hadamardmatrix derart, dass die Gruppe der Spalten
mit gerader Nummer die ersten 20 Spalten der Codematrix bilden,
und dass die Gruppe der Spalten mit ungerader Nummer die letzten
20 Spalten der Codematrix bilden;
- - Vertauschen der Spalten 12 und 37.
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Des
Weiteren kann man Spaltenvertauschungen auch schon bei der Hadamardmatrix
der Länge
20 durchführen,
danach daraus die 40er Hadamardmatrix generieren, und dann weitere
Spaltenvertauschungen auf der 40er Hadamardmatrix durchführen. Dies
hat den Vorteil, dass man mit einer besseren 20er Hadamardmatrix
startet, was auch eine bessere 40er Hadamardmatrix zur Folge hat,
so dass dieses Verfahren schneller zu einer guten Lösung führt, als
wenn man nur auf der 40er Hadamardmatrix Spaltenvertauschungen durchführen würde.
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In
einer computerunterstützten
Suche wurden dabei die folgenden Spaltenvertauschungen als besonders
günstig
festgestellt:
- – Auf der 20er Hadamardmatrix
vertausche die Spalten (5,6), (0,4), (6,9), (0,1) (Hinweis: Da die
Spalte 0 zweimal vertauscht wird, entspricht das einer zyklische
Vertauschung der Spalten (1, 4, 0); die Permutation gegenüber der
ursprünglichen
20er Hadamardmatrix ist dann (1, 4, 2, 3, 0, 8, 9, 7, 5, 6, 10,
11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19);
- – Generiere
dann nach einer der oben genannten Vorschriften die 40er Hadamardmatrix,
und vertausche dann die Spalten (1,10), (3,4)
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Dies
ergibt die in 2 dargestellte optimierte Matrix.
Das Maximum der Nebenkorrelationen beträgt bei dieser Matrix 3,89 was
mit dem Wert der ursprünglichen
Matrix von 8,26 zu vergleichen ist. Das bedeutet eine Unterdrückung für den Empfang
von Aussendungen für
andere Mobilstationen von 6,54dB.
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Eine
weitere, noch bessere Optimierung ist durch folgende Operationen
erhältlich:
- – Auf
der 20er Hadamardmatrix vertausche die Spalten (6,9), (10,13), (0,3),
(16,19), (0,1), (18,19), (5,7), (12,14), (1,2), (17,18)
- – Generiere
dann nach einer der oben genannten Vorschriften die 40er Hadamardmatrix,
und vertausche dann die Spalten (6,9), (11,14), (6,10), (14,16),
(3,4), (13,14), (2,3), (17,18).
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Das
Maximum der Nebenkorrelationen beträgt bei dieser Matrix 3,7406.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht daher folgende Schritte zur Bildung
einer besonders vorteilhaften Codematrix vor:
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C und D seien Hadamardmatrizen,
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht folgende Schritte zur Bildung
einer besonders vorteilhaften Codematrix vor:
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C und D seien Hadamardmatrizen,
- - bilde eine Codematrix gemäß:
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Diese
Codematrizen lassen sich durch oben genannte Spaltenvertauschungsschritte
weiter optimieren.
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In 3 ist
die Verteilung der Korrelationen bei Frequenzfehler angetragen und
zwar für
den Stand der Technik (UMTS) und das vorgestellte Verfahren mit
der oben gezeigten optimierten Spaltenvertauschung (Gruppiere gerade
und ungera de Spalten), was äquivalent
ist zum Verfahren der alternativen Generierung der Matrix (aber
ohne die o.g. weiteren Spaltenertauschungen). Als Frequenzfehler
wurde 100 Hz angenommen. Auf der y-Achse ist die Größe der Kreuz-Korrelationen
angetragen, sie sind der Größe nach
sortiert. Die x-Achse entspricht somit der Nummer des Paares für die die
Kreuz-Korrelation
berechnet wurde.
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Wie
man sieht, entstehen nach dem Stand der Technik 40 Nebenlinien mit
einem Wert von größer als 8.
Nach der Verbesserung ist das Maximum nur ca. 6 und wird zusätzlich seltener
erreicht.
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Es
lässt sich
zeigen, dass die Summe der Quadrate aller Nebenlinien konstant ist.
Werden daher die Maxima abgesenkt, so werden zwangsläufig bei
kleineren Nebenlinien die Werte angehoben. Es sind aber im Wesentlichen
die Maxima, die die Leistungsfähigkeit
des Systems bestimmen. Dies liegt daran, dass genau dann ein Fehler
auftritt, wenn durch die Störung
der Kreuzkorrelation ein Empfangswert verfälscht wird. Dies wird hauptsächlich durch
die großen
Nebenmaxima erzeugt, weniger durch die kleinen. Somit ist die Anhebung der
kleineren Nebenlinien (Kreuzkorrelationen) nicht nur unvermeidlich
sondern auch unschädlich.